第七章

卫星通信系统

　 　 　　

　　教学重点

　　 1 ．掌握卫星通信系统的组成和各组成部分的作用。

　　 2 ．理解通信卫星、地面站的组成和工作原理。

　　 3 ．理解地面站的多址接入方式。

　　 4 ．了解卫星通信的工作频段。

　 5 ．了解 VSAT 卫星通信系统的特点，低轨道移动卫星通信系统的组成和特点。

　 　 　　

　　掌握卫星通信系统的组成和各组成部分的作用。

序　号 内 容 学　时1 7.1 　概述 1

2 7.2 　通信卫星的组成 1

3 7.3 　卫星地面站的组成 1

4 7.4 　卫星通信应用举例 1

5 习题和小结 6 本章总学时 4

　　学时分配

　　教学难点

　 　 　　

第七章　卫星通信系统 7.1 　概述7.2 通信卫星的组成

7.3 卫星地面站的组成7.4 卫星通信应用举例

本章小结

　 　 　　

7.1 　概述

　　一、卫星通信系统的组成

　　二、卫星通信的工作频率和特点

　　三、卫星通信的多址连接方式

　 　 　　

　　卫星通信是无线通信的一种，与平常无线通信的不同之处是中继器位于地球上空的人造卫星上。

　　卫星通信的设想：

　一、卫星通信系统的组成

1945 年，英国人克拉克曾设想：如果发射三颗同步轨道卫星到地球的赤道上空，卫星和地球中心连线的间隔角度为 120 度，离地球表面的高度为 35800km ，卫星天线的波束宽度为 17 度，如图 7.1 所示，这样就可构成全球性的卫星通信网。这种设想今天已成现实。

　 　 　　　　图 7.1 利用同步卫星建立全球通信（长度单位 Km ）

　 　 　　

　 同步卫星是指卫星绕地球转动一周的时间等于地球自转的周期，因而从地表面上看起来好象卫星停在高空不动。

发射到空间的同步通信卫星装有微波频段的中继器，它能把地面站发来的电波加以放大，然后再转发回地面，从而完成了通信过程。

　　卫星通信系统由地面站和通信卫星组成，如图 7.2 所示，从地面站发出的电波在通信卫星上进行中继，用其它的地面站接收，从地球站到卫星的传输线路称之为上行，从卫星到地球站的线路称为下行。

　 　 　　

图 7.2 卫星通信系统的组成和工作过程

　 　 　　

　 1 ．地球站

　　地球站可以有多个，为了进行双向通信，每个地球站均有接收和发射设备，图 7.2 中画出了 A 、 B 两个地面站。由于收、发设备共用一副天线，所以采用了双工器以便把收、发信号分开。

　　转发器就是安装在卫星上的收发设备，用来接收从各地球站发来的信号，经频率变换和放大后，再发给各地球站。

　 2．转发器

　　转发器由天线、收发设备和双工器组成。

　 　 　　

　 3 ．卫星通信系统的工作过程

　　如果位于 A 处的用户要与 B 处的用户通话，那么 A 处用户的电话信号经过市内电话线路到达地球站 A 。地球站A 的多路复用设备对此电话信号进行复用，成为多路电话信号即基带信号。然后送入调制器，用 70MHz 或其它频率的载波进行调制，成为中频已调波信号。接着，再送入上变频器，变换成频率为 f1 的微波信号，例如 6GHz 。最后送入微波大功率放大器放大，并通过双工器由天线发射出去。

　 　 　　

　　从地球站 A 发射到卫星转发器频率为 f1 的信号，经过大气层和宇宙空间组成的上行线路到达卫星转发器。卫星转发器中的接收设备先把 f1 频率的微波信号变换成频率较低的中频信号，放大后再变换成频率为 f2 的下行微波信号，例如 4

GHz 。然后经发射设备的输出功率放大器放大，再经天线发射到地球站。 地球站高增益天线接收到 f2 微波信号经双工器，低噪声放大器放大，下变频器变频成中频信号，再送到解调器恢复成基带信号。然后经多路分解设备分路，经地面上的微波中继线路和市内通信线路，接通 B 处用户。

　 　 　　

　　二、卫星通信的工作频率和特点

　　卫星通信的工作频率被分配在 300MHz 到 300GHz 的超高频和极高频波段范围内。这个范围又分成许多较小的频段，如表 7.1 所示。

　 1 ．卫星通信的工作频率

频段 范围（ GHz ）

频段 范围（ GHz ）

L 1~2 Ku 12.5~18

S 2~4 K 18~26.5

C 4~8 Ka 26.5~40

X 8~12.5 毫米波 40~300

　 　 　　

当工作频率低于 1GHz 时，宇宙噪声会迅速增加。因此，卫星通信频率一般采用称为“电波窗口”的 1～ 10GHz 频段，其中最常用的是 C 波段。

卫星通信具有服务地域宽，通信容量大，可以进行多址通信，性能稳定可靠抗灾害能力强等优点。

　 2 ．卫星通信的特点

卫星通信的不足之处是由于距离遥远，所以传输延迟时间长。所以在电视卫星中继时主持人和特派记者等的交谈给人以不协调的感觉，这都是延迟时间过长造成的影响。

　 　 　　

　 多址连接方式是指许多个地面站通过共同的通信卫星，实现覆盖区域内的相互连接，同时建立各自的信道，而无需中间连接。

　 多址连接技术与多路复用技术的不同点是：多址连接技术是多个地面站的射频信号在射频信道中的复用；多路复用技术是一个通信站的多路信号在中频信道上的复用。

　三、卫星通信的多址连接方式

　　多址连接方式有频分多址 (FDMA) 、时分多址 (TDMA) 、空分多址 (SDMA) 和码分多址 (CDMA) 。

　 　 　　

图中各地面站发射的载波频率为 fA 、 fB 、…… fF, 图中画出了 A 地面站利用 fA 的上行频率，经过卫星转发器后利用 fF 的下行频率和 B 地面站进行通信的情况。

频分多址是根据各个地面站发射的信号频率不同，按照不同的信号频率来区分是哪个地面站发出的信号，如图所 7.

3 所示。

　 1 ．频分多址方式（ FDMA ）

　　频分多址根据多路复用和调制方式的不同，分成以下几种方式：

　 　 　　

图 7.3 频分多地址方式的示意图

　 　 　　

SCPC 方式叫做单路单载波传输，每路电话单独调制到卫星发射的一个射频载波上去。这种方式可以利用话音作开关，称为话音激活。即有话音时发射载波，而没有话音时则关闭所用的载波。从而把转发器的容量提高了 2.5倍。适合通信业务量小的地球站。

FDM 表示该方式的多路复用部分是按频率划分的，即频分多路； FM 表示调制方式为调频； FDMA 表示通信卫星和不同地面站的联系是按频率来区分的，即频分多址连接。适合通信业务量大的地球站。

　 (1)FDM/FM/FDMA 方 式 ：

　 （ 2） SCPC方式：

　 频分多址接入方式的优点是建立通信线路方便；缺点是易形成交调干扰。

　 　 　　

图 7.4 是时分多址系统的简化方框图。为了保证各站信号按指定的时隙进入转发器，必须规定一个站作为基准站，基准站周期性地发射脉冲射频信号，作为系统内其它各站的共同时间基准。

时分多址是指各地球站发射的信号，在进入转发器时是按时间排列的，即各站信号所占时间空隙（简称时隙）是互不重叠的。

　 2 ．时分多址方式（ TDMA ）

　　在时分多址系统中，所有地球站的信号在卫星转发器中所占时隙之和叫做一帧，而各地球站所占用的时隙叫做分帧。通常，卫星通信系统中的帧长取为 125us(相当于抽样频率为8KHZ) 或 125us 的整倍数。

　 　 　　

　　图 7.4 时分多址系统的简化方框图

　 　 　　

PCM/TDM/PSK/TDMA 系统是时分多址方式中的一种，模拟信号经过 PCM编码，再经过时分多路复用 (TDM) ，调制是采用移相键控调制 (PSK) ，地面站采用时分多址 (TDMA) 的接入方式。

时分多址接入方式的特点是传输速率较高，由于不同的地面站接入在信道的不同时隙中，所以要求各个系统必须有精确的系统同步、帧同步和位同步等。

　 　 　　

空分多址方式是指在卫星上安装多个天线，这些天线的波束分别指向地球上不同的区域，不同区域的地面站所发射的电波在空间不会互相重叠，即使在同一时间，不同区域的地面站使用相同的频率工作，它们之间也不会形成干扰。空分多址实质上是频率的地域复用，使同一频率能够被再利用，从而容纳更多的用户。

　 3 ．空分多址方式（ SDMA ）

　　空分多址的特点是要求卫星上天线的方向性相当准确，由于天线的波束很窄，卫星的发射功率集中，从而节省了卫星的发射功率。

　 　 　　

码分多址方式是按照信号码型的不同来区分不同的地面站。各地面站发射的频率和时间可以重叠，但由于编码方式不同，各地面站的编码信号自相关性强，互相关性弱。各地面站发出的信号只能用与它对应的接收机才能检测出来。

　 4 ．码分多址方式（ CDMA ）

　　码分多址方式的特点是抗干扰能力强，保密性能好。

CDMA 方式的接入方法适用于用户容量比较小的场合，例如飞机、舰艇以及其它军事应用中，利用卫星与其它的地面站建立通信联系。

　 　 　　

7.2 通信卫星的组成

一、控制系统 二、天线系统 三、通信系统四、遥测指令系统五、电源系统 六、温控系统

　 　 　　

　　通信卫星是卫星通信系统的核心。

　一、控制系统

　　控制系统包括位置控制系统和姿态控制两部分。

　　卫星上除了必须具备完成转发任务的通信系统和天线系统外，还必须有电源和温度控制系统、控制系统、遥测指令系统。如图 7.5 所示。

　 　 　　

　　 图 7.5 通信卫星各系统的组成方框图

　 　 　　

当静止卫星相对于地球的位置会发生漂移时，通信就不能正常进行。这时卫星的遥测装置就发给地球一个信号，地球通过遥控装置控制启动卫星上的位置控制系统，使卫星回到原定的位置。位置控制系统由装在卫星轴向和横向的气体喷射装置组成。

　 1 ．位置控制系统

　　姿态控制是使卫星对地球或其他基准物保持正确的姿态。卫星姿态是否正确，不仅影响卫星上的定向通信天线是否指向覆盖区，还会影响太阳能电池表面是否朝向太阳。

　 2 ．姿态控制系统

　 　 　　

　二、天线系统 天线系统是用来完成通信卫星上所有信号的接收和发射任务的。通信卫星天线系统包括通信天线和遥测指令天线两种。它们的作用与地面通信设备中的天线是一样的。

卫星天线与地面天线不同的特点是：

2.天线材料耐高温和辐射。 3.增益高，以增加卫星的有效辐射功率，且天线波束永远指向地球。

1. 体积小、重量轻、馈电容易，便于在卫星上组装的结构以及可靠性高和寿命长等。

　 　 　　

　三、通信系统 　　静止卫星的通信系统又称为通信中继机，它是由几个信道转发器互相连接而组成，转发器的作用是把接收到的微弱信号放大之后重新发射（转发）。转发器的上、下行频率数值不相同，以便减小上、下行线路之间的干扰，所以转发器内要进行频率变换。 　 图 7.6 是卫星转发器的简化方框图。

图 7.6 卫星转发器的简化方框图

　 　 　　

从天线来的 6GHz 信号依次经过前置放大器、混频器、滤波器和放大器，然后经可控衰减器，又通过滤波器后送到由5～ 6级晶体管组成的放大器，最后输出送往天线。

　 信号处理过程：

　 　 　　

　四、遥测指令系统

　　遥测指令系统包括遥测和遥控指令系统两部分。

　　遥测部分的作用是指在地球上测试卫星上各种设备的工作情况。卫星向地球传送的信号主要有表示有关部分的电流、电压、温度等工作状态的信号，来自各传感器的信息，指令证实信号以及作控制用的气体压力等等。

　 1 ．遥测部分

　　遥测的各种数据，都要随时通过遥测系统送往地面监测中心。这些数据传送的方法与通信过程相似，即先通过多路复用、放大和编码等处理后再进行调制。

　 　 　　

对卫星进行姿态和位置控制所用的喷射推进装置的点火；行波管高压电源的开、关；发生故障的部件与备用部件的转换，以及地球对卫星内部各种设备的控制等等，都是由遥控指令系统来完成的。

　 2 ．遥控指令系统

指令信号由地球的控制站发出，在卫星转发器内被分离出来，经检波、解码后送至控制设备，控制各种执行机构实施指令。

　 　 　　

　五、电源系统 　　通信卫星用的电源有太阳能电池和化学电池。

　 太阳能电池是通信卫星的基本电源，由光电器件组成。从太阳能电池直接输出的电压是不稳定的，必须经电压调整后才能供给负载。

　 在通信卫星上装有可以充、放电的化学电池与太阳能电池并用。在没有日蚀期间，由太阳能电池给化学电池充电。在日蚀期间，则由化学电池供电。

　 1 ．太阳能电池

　 2 ．化学电池

　 　 　　

　　六、温控系统

　　卫星受到太阳能辐射时和环绕地球转到背向太阳一面时的温度差别很大，而且变化频繁，同时卫星内因行波管功率放大器及电源系统等产生热而升温。而星内的电子设备如本振等，必须温度稳定，否则影响通信质量。所以，卫星内必须装有温度控制系统。

　 　 　　

7.3 卫星地面站的组成

一、天线馈电系统

二、地面站发射系统的组成

三、地面站接收系统的组成

　 　 　　

　 地面站是卫星通信系统的重要组成部分。它的作用有两个，一是向卫星发射信号；二是接收经卫星转发的，来自其它地面站的信号。

　 按照安装方式及规模不同，地面站可分为固定站、移动站和可拆卸站。按照用途不同，地面站又可按使用不同的天线直径，分为 30m 站、 10m 站、 5m 站、 3m 站、 1m 站等。 　 一个标准的地面站如图 7.7 所示，由天线系统、发射系统、接收系统、通信控制系统、终端系统和电源系统等六部分组成。

　 　 　　

图 7.7 地面站系统的总体组成方框图

　 　 　　

　 信号流程：

1.市内的电话和电视信号经微波线路或电缆送到地面站的终端接口设备。 2.发送系统将来自终端的基带信号（多路复用信号）进行高频调制且放大到足够的功率后送至天线；

3.从天线上接收到的卫星转发来的信号通过馈电设备分给接收系统，完成解调、放大和滤除干扰的任务，输出基带复用信号至终端系统。

4.终端系统将各路电话信号、电视信号以及数据等分离，再分别送至用户。

　 　 　　

　一、天线馈电系统 　 地面站的天线馈电系统是决定地面站容量和通信质量的关键设备之一。

　 天线系统的建设费用约占整个地面站的三分之一。

　 在馈电系统中，应该尽量使接收和发射信号很好地分离，以便收发共用一部天线。

对天线系统的主要技术要求是高增益、低噪声、频带宽，以及方向性要好。

天线馈电系统由天线、馈电和天线方向跟踪控制二部分组成。

　 　 　　

　　 1 ．天线 　　地球站的天线大多采用抛物面天线，这种天线的原理如图 7.8 所示。它由初级辐射器、副反射器和主反射器组成。副反射器是双曲面形的，主反射器是抛物面形的。初级辐射器的等效辐射中心与副反身器的共轭焦点 O2 重合。

　

电磁波从初级辐射器辐射出来，先照射到副反射器上，副反射器把电磁波反射到主反射器上，主反射器把电磁波变成平行波束发射，从而提高了波束的方向性。接收时，电磁波的路径与上述过程相反。

　 工作原理：

　 　 　　图 7.8 抛物面天线

　 　 　　

　　 2 ．馈电和天线方向跟踪控制 　　馈电设备接在天线与发射机和接收机之间。它的作用的把发射机输出的射频信号馈送给天线，同时将天线接收到的电磁波送给接收机，即起着传输能量和分离收、发电波的作用。

馈电部分由馈源喇叭（即一次幅射器）、波导元件（包括定向耦合器、极化变换器和极化分离器）和馈线组成，如图 7.9 所示。馈电设备的损耗必须足够小。

　 　 　　图 7.9 馈线系统的组成方框图

　 　 　　

从发射机来的线极化波通过极化变换器，变成（例如右旋园）极化波送到天线发射出去。接收时，天线收到的则应与发射时极化方向不同的波（例如左旋圆极化波），仍通过极化变换器，变成线极化波再送入接收机。

　 工作原理：

图中的极化分离器即双工器，是分开发射波和接收波用的。图中的跟踪△信号和跟踪∑信号是为操纵天线自动跟踪卫星所需要的。为了使天线能转动，系统装有方位、俯仰转动装置。

　 　 　　

　二、地面站发射系统的组成

地面站大功率发射系统的组成如图 7.10 所示。

从模拟电话信号和电视终端设备来的多路电话、电视或数据基带信号，以及外加的导频信号，经过基带转换后都加到调制器上。对模拟信号一般通过宽带调频器变成 70MH

Z 的 FM 信号；对数字信号一般经过 PSK 调制器变成 70MH

Z 的 PSK 信号。紧接着在中频放大器和中频滤波器中对它们进行放大并滤除干扰，然后在上变频器中变换成微波频段的射频信号（在频分多址方式中）。

　 工作原理：

　 　 　　

图 7.10 地面站大功率发射系统的组成

　 　 　　

　三、地面站接收系统的组成

地面站高灵敏接收系统组成方框图如图 7.11 所示。

卫星地面站接收系统的作用是从噪声中接收来自卫星转发器的微弱信号。由于卫星转发下来的信号，经远距离传输后，衰减相当大。所以地面站接收系统的灵敏度必须很高。

　 工作原理： 由地面站接收天线接收来自卫星转发器的微弱信号，经过馈电设备，加到低噪声放大器进行放大。因为信号微弱，所以要求低噪声放大器要有一定的增益和低噪声温度。

　 　 　　

图 7.11 地面站高灵敏接收系统组成方框图

　 　 　　

下变频器把接收载波变成中频信号。经过中频放大和滤波后，加到解调器。对于 PSK数字信号，一般采用相干解调器。

从低噪声放大器输出的信号，在传输放大器中进一步放大后，经过椭圆波导传输给接收系统下变频器（也叫混频器）。多级晶体管放大器用来补偿波导传输损耗。

解调后的基带信号，送到基带转换装置中，同时取出导频信号和基带信号。

　 　 　　

7.4 卫星通信应用举例

一、小天线地面站的 VSAT 系统

二、低轨道卫星移动通信系统

　 　 　　

　 一、小天线地面站的 VSAT 系统

　 VSAT 是“小天线地球站卫星通信系统”的英文缩写。它是由天线尺寸小于 2.4m 、设备紧凑，全固态化、功率小、价格低廉的卫星用户小站和一个枢纽站组成的通信网，主要用来进行 2Mbit/s 以下低速率的双向数字通信。　 VSAT 系统中的用户小站对环境条件要求不高，不需要设在远郊，可以直接安装在用户屋顶，不必汇接中转，可由用户直接控制电路，安装组网方便灵活。因此 VSAT 系统非常迅速地发展起来。

　 　 　　

　　 VSAT 系统采用时分多址方式，系统中的各个小型地面站，可以随机地发射时分多址载波，通过卫星进入枢纽站。调制方式大多采用 QPSK 方式。

VSAT 系统工作在 14/11GHz 的 Ku 频段以及 C 频段。系统中综合了分组信息传输与交换、多址协议、频谱扩展等多种先进技术，可以进行数据、语言、视频图像、传真、计算机信息等多种信息的传输。从而构成卫星电视接收，卫星数据接收等专门类型的通信。

　 　 　　

　 二、低轨道卫星移动通信系统

　 全球个人通信是指任何人、在任何地点、任何时间都能利用手持式通信终端，与在任何地方的另一个人进行通信。实现全球个人通信的一个方案就是利用低轨道卫星移动通信系统。

美国摩托罗拉公司在 1991 年提出用 77 颗卫星，覆盖全球的移动电话系统。由于铱原子外围包含 77 个电子，所以这个系统叫做“铱系统” 。

　 　 　　

　 因为这种系统中的卫星离地球表面高度较低，约为 765km ，所以叫做低轨道卫星。

这 77 颗卫星分成 7 个组，每组 11 颗，分布围绕在地球上空、经度上距离相等的 7 个平面内的低轨道上，从而使卫星天线的波束覆盖全球表面。这样在地球表面上任何地点、任何时间，总有一颗卫星在视线范围内，以此来实现全球个人通信。

　 　 　　

　　低轨道卫星不是地球的同步卫星，低轨道卫星绕地球运转一周的时间约为 1h40min 。因此，卫星天线波束所形成的地面覆盖小区，在地球表面上是飞速地移动的，一个用户能看见每颗卫星的时间为 9min 。

　　当小区经过移动电话用户时，也存在“越区切换”的问题，这点与地面蜂窝式移动电话系统相似。与地面蜂窝式移动电话系统不同的是：在地面蜂窝式移动电话系统中是移动电话用户移动通过小区，而在低轨道卫星移动通信系统中，则是小区移动通过用户。

　 　 　　

　　在低轨道卫星移动通信网内，分配给低轨道卫星使用的频率范围分为 L 和 K 两个频带。其中， L 频带是卫星直接与移动电话用户设备进行连接的频段，具体采用的频率为 1.

6～ 1.7GHz 。由于这个频率是电波窗口范围中最低的，所以传播损耗较小。而 K 频带则用于卫星之间直接连接的通路工作频率，以及卫星与地球上的出口局、入口局、汇接局等之间的连接通路工作频率，具体的频率范围为 18～ 30G

Hz 之间的某个频段。

　 　 　　

　　 L 频带的波束是用相控阵天线发出的，可以形成 48 个互不重叠的点波束，即在地面上形成 48 个覆盖小区。整个卫星移动通信系统共占用了 14MHZ 的频带宽度，可以提供 283000

个信道。可见，频带的利用率是很高的，这是因为采用了频率地域重复使用技术的缘故。

　 但是低轨道的卫星移动通信系统由于要发射的卫星数量多，成本高。同时手机价格昂贵， 因此它不能代替地面蜂窝移动电话系统。

　 　 　　

本章小结

一、卫星通信

二、卫星通信系统的组成

三、通信卫星

四、地面站

五、 VSAT 系统

　 　 　　

　二、卫星通信系统的组成

　　卫星通信是无线电通信的一种方式，卫星作为无线电通信的中继站，相当于把天线架到了地球的外层空间。所以它具有服务地域宽，容量大，传输稳定，但传播时延大的特点，有三颗同步卫星即可组成全球通信。

　 卫星通信系统主要由地面站和卫星转发器两部分组成。卫星转发器主要起无线电中继站的作用，地面站是无线电接收和发射站。通过地面站多址接入技术可以保证卫星和地面站通信双方的沟通。

　一、卫星通信

　 　 　　

　三、通信卫星 　 通信卫星起无线电中继站的作用，除了用以通信的发射和接收部分外，还应包含电源部分、控制部分、遥测指令部分和温度控制部分。以确保通信卫星准确可靠安全地工作。

　 地面站连接公用电信网。地面站主要由用以无线电通信的天线部分、发射部分和接收部分等组成。

　四、地面站

　 多址接入技术主要有频分多址 (FDMA) ，时分多址 (TDMA) ，空分多址 (SDMA) 和码分多址 (CDMA) 。

　 　 　　

　　 VSAT 系统可以直接利用卫星进行通信，由于它天线小，功耗低，价格低，所以它的发展非常迅速。低轨道卫星通信实现了全球范围内的移动通信，但还处于研究阶段。

　 天线通常采用高增益且具有良好方向性的抛物面天线。由于距离十分遥远，发射部分的主要核心是大功率的发射机，接收部分的主要核心是高增益低噪声放大器。调制部分如果是模拟通信可以采用 FM 调制，如果数字通信则采用 QPSK调制。

　五、 VSAT 系统